用于直拉法生产单晶的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种能够减小氩气使用量的用于直拉法生产单晶的装置。该装置包括上炉膛、下炉膛，上炉膛顶部设置有籽晶旋转提升机构，下炉膛内设置有保温筒，保温筒内设置有石墨坩埚，石墨坩埚内设有石英坩埚，石墨坩埚外侧设置有加热器，石墨坩埚底部设置有坩埚旋转顶升机构，石墨坩埚与坩埚旋转顶升机构设置有圆形的石墨托板，真空泵的进口与真空抽口之间设置有旁路管，通过设置旁路管，在抽真空完毕后进入拉晶工艺阶段时，可以使用旁路管通道，由于旁路管的内径较小，真空泵在工作时，抽取的气体量就大大减小，这样只需通入少量的氩气即可使下炉膛内保持一定浓度的氩气，减少了氩气的需求量较大。适合在单晶生产设备领域推广应用。
【专利说明】用于直拉法生产单晶的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及单晶生产设备领域，尤其是一种用于直拉法生产单晶的装置。
【背景技术】
[0002]21世纪，世界能源危机促进了光伏市场的发展，晶体硅太阳能电池是光伏行业的主导产品。随着世界各国对太阳能光伏产业的进一步重视，特别是发达国家制定了一系列的扶持政策，鼓励开发利用太阳能，另外，随着硅太阳能电池应用面的不断扩大，太阳能电池的需求量越来越大，硅单晶材料的需求量也就越来越大。
[0003]单晶硅为一种半导体材料，一般用于制造集成电路和其他电子元件，单晶硅生长技术有两种:一种是区熔法，另一种是直拉法，其中直拉法使目前普遍采用的方法。
[0004]直拉法生长单晶硅的方法如下:将高纯度的多晶硅原料放入用于直拉法生产单晶的装置的石英坩祸内，然后在低真空有流动惰性气体的保护下加热熔化，把一支有着特定生长方向的单晶硅(也叫做籽晶)装入籽晶夹持装置中，并使籽晶与硅溶液接触，调整熔融硅溶液的温度，使其接近熔点温度，然后驱动籽晶自上而下伸入熔融的硅溶液中并旋转，然后缓缓上提籽晶，此时，单晶硅进入锥体部分的生长，当锥体的直径接近目标直径时，提高籽晶的提升速度，使单晶硅体直径不再增大而进入晶体的中部生长阶段，在单晶硅体生长接近结束时，再提高籽晶的提升速度，单晶硅体逐渐脱离熔融硅，形成下锥体而结束生长。用这种方法生长出来的单晶硅，其形状为两段呈锥形的圆柱体，将该圆柱体切片，即得到单晶硅半导体原料，这种圆形单晶硅片就可以作为集成电路或太阳能的材料。
[0005]单晶硅拉制一般在用于直拉法生产单晶的装置中进行，目前，所使用的用于直拉法生产单晶的装置包括上炉膛、下炉膛，上炉膛设置在下炉膛上方且上炉膛通过隔离阀固定在下炉膛顶部，所述上炉膛顶部设置有籽晶旋转提升机构，所述下炉膛内设置有保温筒，所述保温筒内设置有石墨坩祸，所述石墨坩祸内设有石英坩祸，石墨坩祸外侧设置有加热器，加热器位于保温筒内，所述加热器通过加热电极固定在下炉膛底部，下炉膛的顶部连接有氩气管，所述氩气管穿过下炉膛伸入到下炉膛内，所述下炉膛的下部设置有真空抽口，所述真空抽口上连接有排放管，排放管末端连接有真空泵，真空泵的进口与排放管的出口相连，所述石英坩祸上方设置有籽晶夹持装置，所述籽晶夹持装置通过传动杆与籽晶旋转提升机构相连，所述石墨坩祸底部设置有坩祸旋转顶升机构，所述石墨坩祸与坩祸旋转顶升机构设置有圆形的石墨托板，这种用于直拉法生产单晶的装置在实际使用过程中存在以下问题:首先，现有的用于直拉法生产单晶的装置在进行拉晶工艺之前需要先利用下炉膛内抽至一定的真空度，然后再进行拉晶工艺，在拉晶工艺过程中，真空泵一直工作其目的一是为了保证下炉膛内保持一定的真空度，同时也将拉晶产生的废气在氩气的裹带下排出，由于现有的用于直拉法生产单晶的装置的真空泵与真空抽口之间只有一根内径较粗的排放管，该排放管内径较粗，在拉晶工艺之前将下炉膛内抽真空时效果较好，但是，在拉晶工艺过程中，由于排放管内径较粗，会将用于直拉法生产单晶的装置内的气体快速的抽走，为了避免硅棒氧化，下炉膛内需要保持一定浓度的氩气，这样便需要通入大量的氩气体才能保证下炉膛内保持一定浓度的氩气，氩气的需求量较大，而氩气价格昂贵，致使生产成本较高；其次，在用于直拉法生产单晶的装置工作的过程中，下炉膛内的温度需保持在一个稳定的范围内，由于现有的用于直拉法生产单晶的装置都是直接将室温的氩气通入下炉膛内，由于下炉膛内的温度较高，通常都是几百度的高度，常温的氩气进入下炉膛内势必会对下炉膛内的温度造成较大的影响，如果下炉膛内温度波动变化较大会对晶棒的生长造成较大的影响，最后长成的晶棒质量也会层次不齐；另外，在拉晶过程中，坩祸需旋转并保持一定的速度上升，现有的用于直拉法生产单晶的装置的坩祸旋转顶升装置都是靠一根坩祸轴实现，坩祸轴在转动的过程中可以同时使坩祸上升和旋转，但是这种坩祸旋转顶升装置存在一个问题，即坩祸的旋转速度受限于坩祸的上升速度，如果坩祸的旋转速度加快必然要导致坩祸的上升速度加快，二者不能分开单独控制，有时，需要加快坩祸的旋转速度但是不增加坩祸的上升速度，现有的用于直拉法生产单晶的装置就无法实现上述功能，这对于拉晶工艺的参数控制极为不便。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够减小氩气使用量的用于直拉法生产单晶的装置。
[0007]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:该用于直拉法生产单晶的装置，包括上炉膛、下炉膛，上炉膛设置在下炉膛上方且上炉膛通过隔离阀固定在下炉膛顶部，所述上炉膛顶部设置有籽晶旋转提升机构，所述下炉膛内设置有保温筒，所述保温筒内设置有石墨坩祸，所述石墨坩祸内设有石英坩祸，石墨坩祸外侧设置有加热器，加热器位于保温筒内，所述加热器通过加热电极固定在下炉膛底部，下炉膛的顶部连接有氩气管，所述氩气管穿过下炉膛伸入到下炉膛内，所述下炉膛的下部设置有真空抽口，所述真空抽口上连接有排放管，排放管末端连接有真空泵，真空泵的进口与排放管的出口相连，所述石英坩祸上方设置有籽晶夹持装置，所述籽晶夹持装置通过传动杆与籽晶旋转提升机构相连，所述石墨坩祸底部设置有坩祸旋转顶升机构，所述石墨坩祸与坩祸旋转顶升机构设置有圆形的石墨托板，所述真空泵的进口与真空抽口之间设置有旁路管，所述旁路管上设置有用于使旁路管导通或关闭的旁通阀，所述排放管上设置有用于使排放管导通或关闭的工艺阀，所述旁路管的内径为排放管内径的1/3-1/2。
[0008]进一步的是，所述工艺阀、旁通阀均为电磁阀，所述工艺阀上连接有第一触发式开关，所述旁通阀上连接有第二触发式开关，所述下炉膛内设置有真空计，还包括控制器，所述第一触发式开关、第二触发式开关、真空计分别与控制器电连接。
[0009]进一步的是，所述氩气管上设置有气体加热装置，所述气体加热装置包括柱状基体，所述柱状基体内设置有圆柱形的气体加热空腔，所述柱状基体上设置有与气体加热空腔连通的进气口与出气口，所述进气口通过气管与氩气源连通，所述出气口与氩气管连通，所述柱状基体的表面缠绕有加热丝，所述加热丝连接在电源上。
[0010]进一步的是，所述加热丝与电源之间设置有温控表，所述气体加热空腔内设置有温度探头，所述温度探头与温控表相连接。
[0011]进一步的是，所述坩祸旋转顶升机构包括固定在石墨托板底部的旋转轴，所述旋转轴上固定有旋转齿轮，所述旋转轴底部设置有底座，所述旋转轴通过轴承固定在底座上，所述底座上设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴上设置有驱动齿轮，所述驱动齿轮与旋转齿轮互相啮合，所述底座下方设置有用于使底座上下移动的升降装置。
[0012]进一步的是，所述升降装置为液压气缸。
[0013]进一步的是，所述保温筒与下炉膛的内壁之间设置有保温毡，所述保温筒的内壁上涂有热辐射反射层。
[0014]本实用新型的有益效果是:通过设置旁路管，使得真空泵的进口与真空抽口之间形成两条通道，在进行拉晶工艺之前需要先将下炉膛内抽至一定的真空度时，将旁通阀关闭，将工艺阀打开，这样可以将下炉膛内快速的抽至一定的真空度，当抽真空完毕后进入拉晶工艺阶段时，将工艺阀关闭并将旁通阀打开，在拉晶工艺过程中，真空泵一直工作其目的是为了保证下炉膛内保持一定的真空度，由于旁路管的内径较小只有排放管内径的三分之一至二分之一左右，这样真空泵在工作时，抽取的气体量就大大减小，这样只需通入少量的氩气即可使下炉膛内保持一定浓度的氩气，减少了氩气的需求量较大，降低了生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型用于直拉法生产单晶的装置的结构示意图；
[0016]图中标记为:上炉膛1、下炉膛2、隔离阀3、籽晶旋转提升机构4、保温筒5、石墨坩祸6、石英坩祸7、加热器8、加热电极9、氩气管10、真空抽口 11、排放管12、真空泵13、籽晶夹持装置14、传动杆15、坩祸旋转顶升机构16、旋转轴161、旋转齿轮162、底座163、驱动电机164、驱动齿轮165、升降装置166、石墨托板17、旁路管22、旁通阀23、工艺阀24、第一触发式开关25、第二触发式开关26、真空计27、控制器28、气体加热装置29、柱状基体291、气体加热空腔292、氩气源293、加热丝294、电源295、温控表296、温度探头297、保温毡30、热辐射反射层31。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本实用新型进一步说明。
[0018]如图1所示，该用于直拉法生产单晶的装置，包括上炉膛1、下炉膛2，上炉膛I设置在下炉膛2上方且上炉膛I通过隔离阀3固定在下炉膛2顶部，所述上炉膛I顶部设置有籽晶旋转提升机构4，所述下炉膛2内设置有保温筒5，所述保温筒5内设置有石墨坩祸6，所述石墨坩祸6内设有石英坩祸7，石墨坩祸6外侧设置有加热器8，加热器8位于保温筒5内，所述加热器8通过加热电极9固定在下炉膛2底部，下炉膛2的顶部连接有氩气管10，所述氩气管10穿过下炉膛2伸入到下炉膛2内，所述下炉膛2的下部设置有真空抽口11，所述真空抽口 11上连接有排放管12，排放管12末端连接有真空泵13，真空泵13的进口与排放管12的出口相连，所述石英坩祸7上方设置有籽晶夹持装置14，所述籽晶夹持装置14通过传动杆15与籽晶旋转提升机构4相连，所述石墨坩祸6底部设置有坩祸旋转顶升机构16，所述石墨坩祸6与坩祸旋转顶升机构16设置有圆形的石墨托板17，所述真空泵13的进口与真空抽口 11之间设置有旁路管22，所述旁路管22上设置有用于使旁路管22导通或关闭的旁通阀23，所述排放管12上设置有用于使排放管12导通或关闭的工艺阀24，所述旁路管22的内径为排放管12内径的1/3-1/2。通过设置旁路管22，使得真空泵13的进口与真空抽口 11之间形成两条通道，在进行拉晶工艺之前需要先利用下炉膛2内抽至一定的真空度时，将旁通阀23关闭，将工艺阀24打开，这样可以将下炉膛2内快速的抽至一定的真空度，当抽真空完毕后进入拉晶工艺阶段时，将工艺阀24关闭并将旁通阀23打开，在拉晶工艺过程中，真空泵13—直工作其目的是为了保证下炉膛2内保持一定的真空度，由于旁路管22的内径较小只有排放管12内径的三分之一至二分之一左右，这样真空泵13在工作时，抽取的气体量就大大减小，这样只需通入少量的氩气即可使下炉膛2内保持一定浓度的氩气，减少了氩气的需求量较大，降低了生产成本。
[0019]再者，为了使工艺阀24、旁通阀23能够自动控制，实现无人操作，所述工艺阀24、旁通阀23均为电磁阀，所述工艺阀24上连接有第一触发式开关25，所述旁通阀23上连接有第二触发式开关26，所述下炉膛2内设置有真空计27，还包括控制器28，所述第一触发式开关25、第二触发式开关26、真空计27分别与控制器28电连接。当真空泵13开始工作时，控制器28控制第一触发式开关25使旁通阀23关闭旁路管22闭合，控制第二触发式开关26使工艺阀24打开排放管12导通，真空泵13持续工作，真空计27用来测量炉体内的真空度并将测得的真空值传递给控制器28，当控制器28检测到真空计27的数值达到规定要求时，控制器28控制第一触发式开关25使旁通阀23打开旁路管22导通，控制第二触发式开关26使工艺阀24关闭排放管12闭合，此时进入拉晶工艺阶段，整个过程无需人工对工艺阀24和旁通阀23进行控制，实现了无人操作。
[0020]所述氩气管10上设置有气体加热装置29，所述气体加热装置29包括柱状基体291，所述柱状基体291内设置有圆柱形的气体加热空腔292，所述柱状基体291上设置有与气体加热空腔292连通的进气口与出气口，所述进气口通过气管与氩气源293连通，所述出气口与氩气管10连通，所述柱状基体291的表面缠绕有加热丝294，所述加热丝294连接在电源295上。通过在氩气管10上设置气体加热装置29，气体加热装置29可以对进入下炉膛2内的氩气进行加热，避免温度较低的氩气进入下炉膛2内对下炉膛2内的温度造成较大的影响，在用于直拉法生产单晶的装置工作的过程中，可以保证下炉膛2内的温度保持在一个稳定的范围内，避免对晶棒的生长造成较大的影响，保证最后长成的晶棒质量达到较高的质量水平，另外，利用加热丝294可以快速加热，而且气体加热空腔292为圆柱形，因而，可以保证氩气有足够的加热时间，可以使得所有的氩气被加热到同样的温度，加热效果较好。进一步的是，所述加热丝294与电源295之间设置有温控表296，所述气体加热空腔292内设置有温度探头297，所述温度探头297与温控表296相连接，通过温控表296可以调整气体加热空腔292内的温度，使得惰性气体的温度能够根据不同情况自由调整，使用非常方便。
[0021]为了能够实现坩祸的旋转速度和上升速度单独控制，所述坩祸旋转顶升机构16包括固定在石墨托板17底部的旋转轴161，所述旋转轴161上固定有旋转齿轮162，所述旋转轴161底部设置有底座163，所述旋转轴161通过轴承固定在底座163上，所述底座163上设置有驱动电机164，所述驱动电机164的输出轴上设置有驱动齿轮165，所述驱动齿轮165与旋转齿轮162互相啮合，所述底座163下方设置有用于使底座163上下移动的升降装置166。该坩祸旋转顶升机构16的工作过程如下:石墨坩祸6的旋转是靠驱动电机164来控制，具体的，驱动电机164使设置在输出轴上的驱动齿轮165旋转，驱动齿轮165会带动旋转齿轮162旋转，由于旋转齿轮162固定在旋转轴161上，因而会带动旋转轴161旋转，旋转轴161固定在石墨托板17底部，因而会带动石墨托板17旋转，石墨i甘祸6放置在石墨托板17上，石墨托板17转动会带动石墨坩祸6转动，由于旋转轴161是通过轴承固定在底座163上，因而旋转轴161转动时，底座163是不动的，底座163的上下移动通过升降装置166实现，底座163向上移动时会带动旋转轴161向上移动，进而会带动石墨托板17上升，从而实现石墨坩祸6的上升，因此，石墨坩祸6的上升与旋转式单独控制的，其上升速度和旋转速度分别通过驱动电机164和升降装置166控制，二者单独控制给拉晶工艺的参数控制带来了极大的便利。
[0022]进一步的是，所述升降装置166为可以为电动推杆、气缸等，作为优选的方式是:所述升降装置166为液压气缸，液压气缸具有较大的顶升力且控制方便。
[0023]为了减少热量损失，节约能源，降低能耗，所述保温筒5与下炉膛2的内壁之间设置有保温毡30，所述保温筒5的内壁上涂有热辐射反射层31。
【权利要求】
1.用于直拉法生产单晶的装置，包括上炉膛(1)、下炉膛(2)，上炉膛(I)设置在下炉膛(2)上方且上炉膛(I)通过隔离阀(3)固定在下炉膛(2)顶部，所述上炉膛(I)顶部设置有籽晶旋转提升机构(4)，所述下炉膛(2)内设置有保温筒(5)，所述保温筒(5)内设置有石墨坩祸(6)，所述石墨坩祸(6)内设有石英坩祸(7)，石墨坩祸(6)外侧设置有加热器(8)，加热器(8)位于保温筒(5)内，所述加热器(8)通过加热电极(9)固定在下炉膛(2)底部，下炉膛(2)的顶部连接有氩气管(10)，所述氩气管(10)穿过下炉膛(2)伸入到下炉膛⑵内，所述下炉膛⑵的下部设置有真空抽口(11)，所述真空抽口(11)上连接有排放管(12)，排放管(12)末端连接有真空泵(13)，真空泵(13)的进口与排放管(12)的出口相连，所述石英坩祸(7)上方设置有籽晶夹持装置(14)，所述籽晶夹持装置(14)通过传动杆(15)与籽晶旋转提升机构(4)相连，所述石墨坩祸(6)底部设置有坩祸旋转顶升机构(16)，所述石墨坩祸(6)与坩祸旋转顶升机构(16)设置有圆形的石墨托板(17)，其特征在于:所述真空泵(13)的进口与真空抽口(11)之间设置有旁路管(22)，所述旁路管(22)上设置有用于使旁路管(22)导通或关闭的旁通阀(23)，所述排放管(12)上设置有用于使排放管(12)导通或关闭的工艺阀(24)，所述旁路管(22)的内径为排放管(12)内径的1/3-1/2。
2.如权利要求1所述的用于直拉法生产单晶的装置，其特征在于:所述工艺阀(24)、旁通阀(23)均为电磁阀，所述工艺阀(24)上连接有第一触发式开关(25)，所述旁通阀(23)上连接有第二触发式开关(26)，所述下炉膛(2)内设置有真空计(27)，还包括控制器(28)，所述第一触发式开关(25)、第二触发式开关(26)、真空计(27)分别与控制器(28)电连接。
3.如权利要求2所述的用于直拉法生产单晶的装置，其特征在于:所述氩气管(10)上设置有气体加热装置(29)，所述气体加热装置(29)包括柱状基体(291)，所述柱状基体(291)内设置有圆柱形的气体加热空腔(292)，所述柱状基体(291)上设置有与气体加热空腔(292)连通的进气口与出气口，所述进气口通过气管与氩气源(293)连通，所述出气口与氩气管(10)连通，所述柱状基体(291)的表面缠绕有加热丝(294)，所述加热丝(294)连接在电源(295)上。
4.如权利要求3所述的用于直拉法生产单晶的装置，其特征在于:所述加热丝(294)与电源(295)之间设置有温控表(296)，所述气体加热空腔(292)内设置有温度探头(297)，所述温度探头(297)与温控表(296)相连接。
5.如权利要求4所述的用于直拉法生产单晶的装置，其特征在于:所述坩祸旋转顶升机构(16)包括固定在石墨托板(17)底部的旋转轴(161)，所述旋转轴(161)上固定有旋转齿轮(162)，所述旋转轴(161)底部设置有底座(163)，所述旋转轴(161)通过轴承固定在底座(163)上，所述底座(163)上设置有驱动电机(164)，所述驱动电机(164)的输出轴上设置有驱动齿轮(165)，所述驱动齿轮(165)与旋转齿轮(162)互相啮合，所述底座(163)下方设置有用于使底座(163)上下移动的升降装置(166)。
6.如权利要求5所述的用于直拉法生产单晶的装置，其特征在于:所述升降装置(166)为液压气缸。
7.如权利要求6所述的用于直拉法生产单晶的装置，其特征在于:所述保温筒(5)与下炉膛(2)的内壁之间设置有保温毡(30)，所述保温筒(5)的内壁上涂有热辐射反射层(31)。
【文档编号】C30B29/06GK204251758SQ201420734895
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】陈五奎, 李军, 耿荣军, 樊茂德, 冯加保 申请人:乐山新天源太阳能科技有限公司